一种双金属掺杂型氧化铝气凝胶及其制备和使用方法技术

本发明专利技术提供双金属掺杂型氧化铝气凝胶及其制备和使用方法。双金属掺杂型氧化铝气凝胶由过渡金属无机盐A、过渡金属无机盐B和铝盐组成；过渡金属无机盐A与过渡金属无机盐B之和:铝盐的摩尔比为1:17～30；所述过渡金属无机盐A和过渡金属无机盐B为氯化铁、氯化铜和氯化钴中的两种；该结构具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，有效降解有机污染物；过渡金属与氧化铝气凝胶载体之间强的作用力解决了金属离子脱落入水中造成二次污染的问题；制备时通过溶胶凝胶一步法使双金属离子分散在氧化铝气凝胶中，负载少量的过渡金属可获得优异的催化活性，双金属掺杂型氧化铝气凝胶是块状的，可轻易分离、重复利用、稳定性极高。

Bimetallic alumina aerogel and preparation and use method thereof

The invention provides a bimetal doped alumina aerogel and a preparation and application method thereof. The bimetallic alumina aerogels consist of transition metal inorganic salt A, transition metal inorganic salt B and aluminum salt; the transition metal inorganic salt A and transition metal inorganic salt B: the mole ratio of aluminum salt is from 1:17 to 30; the transition metal inorganic salt A and transition metal inorganic salt B are two kinds of iron chloride, copper chloride and cobalt chloride; the structure has large specific surface area and abundant pores. Structure, effective degradation of organic pollutants; strong interaction between transition metal and alumina aerogel carrier solves the problem of two pollution caused by metal ions falling into water. During preparation, bimetallic ions are dispersed in alumina aerogel by sol-gel one-step process, and excellent catalytic activity can be obtained by negative loading a small amount of transition metals. It is massive, easy to separate, reuse and has high stability.

【技术实现步骤摘要】
一种双金属掺杂型氧化铝气凝胶及其制备和使用方法
本专利技术涉及一种气凝胶及其制备和使用方法；尤其涉及一种双金属掺杂型氧化铝气凝胶及其制备和使用方法。
技术介绍
目前有机染料废水已经成为主要的水体污染源之一。该废水具有水量大、浓度高、成分复杂、色度深和难降解等特点。大多数染料还具有毒性、致癌性、致畸和致突变的作用。目前有机染料废水的处理方法主要有生物法、混凝法、光催化法、吸附法、膜分离法及高级氧化技术等。生物法受pH值、温度、盐份和染料种类等因素的影响，使得生物法处理的效果不够理想。混凝法的运行费用较高，泥渣量大而且脱水困难，适用的pH值范围窄。光催化法需要光源照射体系，在实际应用中受天气影响大。吸附法易受水中的悬浮物和油脂等影响，而且吸附剂用量大、费用高。膜分离法分为电渗析法、反渗透法、纳滤法和超滤法等，其中电渗析法、反渗透法、纳滤法的优点是染料去除率高，能回收废水中的染料，工艺简单，但是所用膜的成本较高，操作压力较大，造成膜法的能耗偏高，影响了其工业化应用。传统的超滤法由于膜孔径较大，难以去除低分子量的有机污染物。近年来，高级氧化技术在水处理方面得到广泛的应用，其中基于硫酸根自由基(SO4-·)的高级氧化技术受到广泛关注。过渡金属离子活化过硫酸盐(Peroxymonosufate，PMS)的反应在室温下即可快速进行，无需外加能量如热源和光源，具有广阔的应用前景。然而，均相过硫酸盐催化体系存在双金属掺杂型氧化铝气凝胶回收困难以及易引发次生环境污染等问题。而目前广泛研究的尖晶石型铁酸钴由于比表面积较小，且在水中易于团聚，极大地影响了其对PMS的催化效率；同时双金属负载型催化剂因为其双金属之间的电子转移能够促进过硫酸盐的活化而备受关注，但是也同时存在着不易回收，金属离子负载不均匀而导致效率低，浸出率高不稳定等问题。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的第一目的是提供一种可以高效催化过硫酸盐产生SO4-·的双金属掺杂型氧化铝气凝胶；本专利技术的第二目的是提供该种双金属掺杂型氧化铝气凝胶的制备方法；本专利技术的第三目的是提供该种双金属掺杂型氧化铝气凝胶的使用方法。技术方案：本专利技术提供一种双金属掺杂型氧化铝气凝胶，由如下原料组成：过渡金属无机盐A、过渡金属无机盐B和铝盐；其中，过渡金属无机盐A与过渡金属无机盐B之和:铝盐的摩尔比为1:17～30；所述过渡金属无机盐A和过渡金属无机盐B为氯化铁、氯化铜和氯化钴中的两种。优选地，所述过渡金属无机盐A:过渡金属无机盐B的摩尔比为1:7～9。优选地，所述过渡金属无机盐A与过渡金属无机盐B和铝盐可以为任何金属盐离子，即阴离子无限制，例如可以为金属硝酸盐、金属硫酸盐或金属氯化盐。上述双金属掺杂型氧化铝气凝胶的制备方法，包括如下步骤：在70％乙醇溶液中按摩尔比将铝盐、过渡金属无机盐A和过渡金属无机盐B搅拌溶解，水解、冷却，加入胶凝剂形成水凝胶后，加入无水乙醇进行老化，干燥后焙烧，得到所述双金属掺杂型氧化铝气凝胶。制备得到的双金属掺杂型氧化铝气凝胶具备巨大的比表面积和丰富的孔隙结构，通过上述制备方法直接将活性组分，即两种过渡金属高度分散在氧化铝气凝胶矩阵中，由此，负载少量的过渡金属即可获得优异的催化活性，从而高效地催化过硫酸盐，产生SO4-·降解有机污染物。进一步地，其中上述制备方法中：所述按照摩尔比加入铝盐、过渡金属无机盐A和过渡金属无机盐B搅拌溶解的温度为80℃；所述水解为加入浓度1mol/L的盐酸10mL促进水解；水解温度为80℃下，水解时间为一个小时，最终形成溶胶。进一步地，所述冷却为冷却到室温，即28℃；所述加入胶凝剂形成水凝胶的条件为：在冰水浴下搅拌；所述胶凝剂为1-2环氧丙烷促进胶凝；加入胶凝剂的量为：环氧丙烷与铝离子的摩尔比为8：1。优选地，形成水凝胶前还包括：将溶液转移到烧杯中在50℃的恒温箱里放置一段时间后形成水凝胶。进一步地，无水乙醇老化时间为24h。优选地，所述干燥为在真空箱里干燥24h。优选地，上述所述焙烧的温度为400～800℃。进一步地，焙烧为放置在马弗炉内进行焙烧。进一步地，焙烧时间为2～4h，升温速度为1～2℃/min。上述双金属掺杂型氧化铝气凝胶在处理废水中有机污染物的使用方法为：将所述双金属掺杂型氧化铝气凝胶投加到配制的含有有机污染物和氧化剂的混合溶液中搅拌反应。在双金属掺杂型氧化铝气凝胶的使用过程中，由于过渡金属活性组分与气凝胶载体之间强的作用力，金属离子的溶出浓度极低，降低了对环境的污染；同时双金属掺杂型氧化铝气凝胶作为催化剂是块状的，可轻易分离，稳定性极高，可重复利用；而双金属离子之间的电子转移促进了硫酸盐加快分解保证了催化剂持续高效的催化性能。优选地，双金属掺杂型氧化铝气凝胶的投加量为1～5g/L，在此投加量的范围内，去除率较高；所述有机污染物为甲基蓝、罗丹明B或偶氮类染料；所述氧化剂为过硫酸盐或过氧化氢；所述甲基蓝、罗丹明B或偶氮类染料均为常见的有机污染物；所述过硫酸盐或过氧化氢均为废水处理中的常用氧化剂。进一步地，所述氧化剂与有机污染物的摩尔比为(40～200):1；在此质量比的范围内，所述双金属掺杂型氧化铝气凝胶能够解决尖晶石型铁氧体低比表面积和颗粒团聚等问题，开发其对过硫酸盐或过氧化氢的催化活性。优选地，所述双金属掺杂型氧化铝气凝胶为反应结束后溶液中取出，并使用乙醇和去离子洗涤干燥回收得到的双金属掺杂型氧化铝气凝胶。优选地，反应的温度为40～50℃；在此温度范围内，有机污染物的降解效率均较高。优选地，pH值为1～7；在此酸碱度范围内，有机污染物的降解效率均较高。进一步地，所述反应时间为2～25分钟；其中，铁钴双金属掺杂型氧化铝气凝胶最快约为2分钟，其余种类的双金属掺杂型氧化铝气凝胶参与反应后，有机污染物的降解率最慢为25分钟，降解反应的时间还取决于双金属掺杂型氧化铝气凝胶中的金属种类。进一步地，所述有机污染物的浓度为10～100mg/L，当污染物浓度在此范围内时，均能被降解的较为完全。有益效果：本专利技术提供的一种可以高效催化过硫酸盐产生SO4-·的双金属掺杂型氧化铝气凝胶，该种气凝胶具备巨大的比表面积和丰富的孔隙结构，更容易与过硫酸盐和有机染料接触，极大地提高催化效率，同时双金属之间的电子转移大大促进了过硫酸盐活化产生的SO4-·氧化降解有机污染物，最终去除率最大接近100％；由于过渡金属与氧化铝气凝胶载体之间强的作用力，导致不易脱落，解决了金属离子进入水中造成二次污染的问题；并且该种气凝胶是块状的，可直接进行回收重复利用，降低运行成本。本专利技术提供的该种气凝胶的制备方法，将双金属离子通过溶胶凝胶一步法负载在氧化铝气凝胶三维网络的矩阵中，使过渡金属和氧化铝载体之间均匀分散，既解决了浸渍法先制备载体再负载活性组分两步反应的耗时繁杂过程，又解决了过渡金属分散不均匀，易脱落的问题；仅负载少量的过渡金属即可获得优异的催化活性，兼具较高的经济价值。附图说明图1为制备得到的同种或两种不同的过渡金属离子掺杂的氧化铝气凝胶；其中，当单独掺杂铁离子时，所得到的气凝胶的颜色是铁黄色的；当单独加入钴离子所得的气凝胶为淡紫色，但是同时加入铁和钴离子所得的气凝胶为墨绿色；当单独加入铜离子的气凝胶颜色是海蓝色，但是同时加入铁和铜离子的颜色为草绿色；当单独加入锰离本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双金属掺杂型氧化铝气凝胶，其特征在于，由如下原料组成：过渡金属无机盐A、过渡金属无机盐B和铝盐；其中，过渡金属无机盐A与过渡金属无机盐B之和:铝盐的摩尔比为1:17～30；所述过渡金属无机盐A和过渡金属无机盐B为氯化铁、氯化铜和氯化钴中的两种。

【技术特征摘要】
1.一种双金属掺杂型氧化铝气凝胶，其特征在于，由如下原料组成：过渡金属无机盐A、过渡金属无机盐B和铝盐；其中，过渡金属无机盐A与过渡金属无机盐B之和:铝盐的摩尔比为1:17～30；所述过渡金属无机盐A和过渡金属无机盐B为氯化铁、氯化铜和氯化钴中的两种。2.根据权利要求1所述的双金属掺杂型氧化铝气凝胶，其特征在于：所述过渡金属无机盐A:过渡金属无机盐B的摩尔比为1:7～9。3.权利要求1或2所述的双金属掺杂型氧化铝气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：在70％乙醇溶液中按摩尔比将铝盐、过渡金属无机盐A和过渡金属无机盐B搅拌溶解，水解、冷却，加入胶凝剂形成水凝胶后，加入无水乙醇进行老化，干燥后焙烧，得到所述双金属掺杂型氧化铝气凝胶。4.根据权利要求1所述的双金属掺杂型氧化铝气凝胶的制备方法，其特征在于：所述焙烧的温度为400～800℃。5.权利要求1所述的双金属掺杂型氧化铝气凝胶在处理废水中有机污染物的使用方法，其特征在于：将所述双金属掺杂型氧化铝气凝胶投加...

【专利技术属性】
技术研发人员：任丽丽，梅静，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32